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双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

机械工程学报 2022年第20期58卷 150-157页

作者：王淑云任泽峰阚君武杨泽盟张忠华黄乐帅孟凡许浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水... 详细信息

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律,以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性,制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明:激励频率对俘能器输出波形影响较大;选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm,10 mm≤l≤16 mm),可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦,进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性;激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时,试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW,其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。

关键词：压电振动俘能器磁耦合组合换能器宽频

碳纳米管引入对钛酸钡/聚二甲基硅氧烷/碳基压电纳米发动机输出信号的影响

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硅酸盐学报 2023年第12期51卷 3052-3058页

作者：林玮陈晨陈卓史灵弛韩毅朱立峰北京科技大学材料国家级实验教学示范中心北京100083 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

在自然环境中,机械振动能具有普遍性、多样性、无污染和易收集等优点,在各种形式的能量中占有一席之地,利用压电纳米发电机收集机械振动能可为智能化功能电子器件的供电问题提供一个可行的解决办法。本研究利用无铅钛酸钡(Ba Ti O_(3))... 详细信息

在自然环境中,机械振动能具有普遍性、多样性、无污染和易收集等优点,在各种形式的能量中占有一席之地,利用压电纳米发电机收集机械振动能可为智能化功能电子器件的供电问题提供一个可行的解决办法。本研究利用无铅钛酸钡(Ba Ti O_(3))纳米颗粒、碳纳米管和聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行复合,制备成Ba Ti O_(3)/PDMS和Ba Ti O_(3)/PDMS/C基压电纳米发动机。结果表明:随着Ba Ti O_(3)含量的增加,Ba Ti O_(3)/PDMS基压电纳米发动机输出信号呈现先增加后减少的现象,且在Ba Ti O_(3)含量为12%时取得最优输出信号,其输出电流为42 n A、输出电压为18 V。此外,碳纳米管的引入有利提升Ba Ti O_(3)/PDMS基压电纳米发动机的输出信号,且在碳纳米管含量为2%时Ba Ti O_(3)/PDMS/C基压电纳米发动机取得最优输出信号,其输出电流为73 n A、输出电压为19 V。研究表明Ba Ti O_(3)/PDMS/C基压电纳米发动机在自供电微电子可穿戴设备等领域具有较大的应用潜力。

关键词：钛酸钡纳米发动机压电复合材料

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风向自适应型涡激振动压电俘能器的试验研究

机械工程学报 2022年第20期58卷 120-127页

作者：侯成伟单小彪宋汝君谢涛哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001 山东理工大学机械工程学院淄博255049

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风... 详细信息

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风向自适应型涡激振动压电俘能器。本俘能器可以根据风向的变化,自主调节迎风角度,从而使得俘能器能够在不同方向来风激励时拥有良好的输出性能。其主要由两个L型压电俘能梁、轴承底座、旋转固定座、导向翼等部分组成。通过搭建的小型风洞测试系统,对俘能器样机进行了测试和分析:受不同方向来风激励时,俘能器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%;俘能器的风向自适应开启状态相对关闭状态,两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%。自适应型压电俘能器的研究结果对提高俘能器的环境适应能力和增强输出性能有良好的参考价值。

关键词：自适应涡激振动压电俘能风能

基于正逆压电效应的高能效振动半主动控制方法

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振动工程学报 2023年第4期36卷 996-1004页

作者：虞丽塬吴义鹏刘轩裘进浩季宏丽南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室江苏南京210016

基于同步开关阻尼(Synchronous Switch Damping,SSD)技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位,用较低的能耗高效地抑制结构振动。... 详细信息

基于同步开关阻尼(Synchronous Switch Damping,SSD)技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位,用较低的能耗高效地抑制结构振动。然而常见的压电驱动元件如压电叠堆、压电纤维复合材料等,其允许工作电压变化范围是不对称的,采用对称翻转的SSD技术难以充分利用压电元件的机电转化性能。提出了一种基于双向压电效应的SSD技术,通过对压电电压上翻时注能、下翻时吸能的操作,最大化控制系统能效,并充分匹配压电元件的机电转化潜能。介绍了所提SSD方法的工作原理,推导了非对称翻转条件下结构的振动衰减模型,实现了非对称翻转SSD控制电路,并通过实验进行了验证。研究结果表明,所提SSD方法可以通过控制注能开关占空比及吸能电路等效负载自适应地调节压电电压的上、下翻转因子,最终实现高能效的结构振动衰减效果。

关键词：振动控制振动能量收集同步开关阻尼压电反激变压器

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扭摆式多方向压电振动俘能器的研究

中国机械工程 2023年第4期34卷 440-445页

作者：阚君武吴亚奇张忠华何恒钱孟凡许浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004 浙江清华柔性电子技术研究院嘉兴314006

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明... 详细信息

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明,激励角变化对两阶谐振频率影响均较小,但对输出电压的影响较大且影响规律不同;激励角从0°增加到90°时,一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大,激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上,进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时,电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s;沿X轴和Y轴方向激励时,均存在两个最佳电阻使输出功率最大,即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,81)kΩ和(4.56,3.4)mW,沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,61)kΩ和(3.96,3.89)mW。

关键词：压电俘能器多方向间接激励扭摆激励

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磁耦合式压电振动发电机的试验与分析

振动工程学报 2022年第4期35卷 887-894页

作者：阚君武王凯王进张忠华费翔王淑云浙江师范大学精密机械与智能结构研究所浙江金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室浙江金华321004

为提高环境适应性和可靠性,提出一种基于组合换能器的磁耦合式压电振动发电机,该发电机由纵振的耦合器和横摆的组合换能器构成。建立了组合换能器和磁力的COMSOL有限元模型,并进行了仿真分析,获得了组合换能器簧片长度比、厚度比及磁铁... 详细信息

为提高环境适应性和可靠性,提出一种基于组合换能器的磁耦合式压电振动发电机,该发电机由纵振的耦合器和横摆的组合换能器构成。建立了组合换能器和磁力的COMSOL有限元模型,并进行了仿真分析,获得了组合换能器簧片长度比、厚度比及磁铁间距对发电机输出性能的影响。在此基础上,选取较佳的结构参数(长度比为0.57、厚度比为2),设计制作了样机并进行了试验测试,获得了激励磁铁和受激磁铁间横向距离L_(x)、纵向距离L_(y)、竖向距离L_(z)及负载电阻对发电机输出性能的影响规律。结果表明:激励频率f<20 Hz时,存在两个较佳谐振频率(由小到大分别记为f_(n1)和f_(n2)),使输出电压出现峰值。谐振频率及其所对应的电压峰值均随L_(x),L_(y)及L_(z)的变化而变化,故合理选择激励磁铁和受激磁铁间距可降低f_(n1)、提高f_(n2)及增大输出电压,有效提高发电机的带宽和环境适应性。存在最佳负载电阻使发电机输出功率达到最大,f=11 Hz,R=540 kΩ时所获得的最大输出功率达0.19 mW。

关键词：磁耦合组合换能器间接激励压电振动发电机

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基于压电效应的低频无线通信机械天线

北京邮电大学学报 2022年第5期45卷 66-71页

作者：杨靖温习杨绍隆潘绪超毕科北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室北京100876 南京理工大学机械工程学院南京210094 中国人民解放军32381部队北京100072

传统电天线的尺寸与其发射电磁波的波长相近。低频电磁波(30~300 kHz)的波长达数公里,低频电天线存在尺寸过大、隐蔽性差、功耗大等问题。为解决电天线尺寸和功耗大的问题,同时提高低频无线通信应用的灵活性,提出了一种基于压电效应的... 详细信息

传统电天线的尺寸与其发射电磁波的波长相近。低频电磁波(30~300 kHz)的波长达数公里,低频电天线存在尺寸过大、隐蔽性差、功耗大等问题。为解决电天线尺寸和功耗大的问题,同时提高低频无线通信应用的灵活性,提出了一种基于压电效应的机械天线,机械天线是利用机械运动的电荷直接激励产生电磁波。研究了压电机械天线工作的物理机理;通过阻抗-频率曲线研究压电机械天线的阻抗特性;利用无线通信系统对比了不同边长压电机械天线的低频辐射性能;同时验证了压电机械天线辐射的磁场随无线通信系统接收端与压电机械天线距离的变化规律。结果表明,压电机械天线在便携式、低成本和高性能低频无线通信应用中具有巨大潜力。

关键词：压电机械天线无线通信低频

面向超低频振动能俘获的内共振升频式压电振子与性能分析

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固体力学学报 2022年第2期43卷 121-130页

作者：李森吴义鹏季宏丽裘进浩南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

自然环境中的低频、超低频振动能分布十分广泛,但如何高效俘获依然是一个技术难题.论文主要研究了一种基于摆锤、内嵌式双悬臂梁、一对永磁铁和限位器的升频式超低频振动能量收集器,并对其进行了理论建模、仿真分析和实验验证.该振子结... 详细信息

自然环境中的低频、超低频振动能分布十分广泛,但如何高效俘获依然是一个技术难题.论文主要研究了一种基于摆锤、内嵌式双悬臂梁、一对永磁铁和限位器的升频式超低频振动能量收集器,并对其进行了理论建模、仿真分析和实验验证.该振子结构可以利用1∶2∶6升频转换机制将初始激励的超低频率升高至6倍频的电压输出,有效地增大了压电元件的换能效率,提高了振子结构输出功率.该原型装置可以在频率2 Hz、幅值0.2 m/s的激励下达到1.4 mW的能量收集水平,展现出了较高的能量俘获和转换潜力.

关键词：振动能量收集升频转换内共振低频压电

Bi_(2)MoO_(6)/纳米棒ZnO异质结对MB的可见光-压电协同降解性能研究

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环境科学学报 2022年第6期42卷 80-89页

作者：徐珊于艳常亮亮艾萧陈经敏袁澳铧张宁商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室商洛726000

采用水热法合成了一系列不同负载率的Bi_(2)MoO_(6)/纳米棒ZnO复合光催化剂.通过XRD、FT-IR、SEM、TEM、XPS、UV-Vis、EPR和PL等分析技术对合成的样品进行表征.在光/超声波条件下,以亚甲基蓝(MB)为目标降解物评价其压电-光催化性能.结... 详细信息

采用水热法合成了一系列不同负载率的Bi_(2)MoO_(6)/纳米棒ZnO复合光催化剂.通过XRD、FT-IR、SEM、TEM、XPS、UV-Vis、EPR和PL等分析技术对合成的样品进行表征.在光/超声波条件下,以亚甲基蓝(MB)为目标降解物评价其压电-光催化性能.结果表明:Bi_(2)MoO_(6)/ZnO纳米棒(BZ-0.6)的降解速率常数约为ZnO传统光催化的9.25倍,其性能提升的主要原因在于ZnO的压电效应与Bi_(2)MoO_(6)/ZnO界面形成的异质结的耦合,有效地促进了电子和空穴的分离和转移.此外,同实验条件下,循环利用5次后Bi_(2)MoO_(6)/ZnO复合光催化剂降解率仍保持良好的稳定性.

关键词：光催化压电 Bi_(2)MoO_(6)/ZnO 异质结